ALMA MATER STUDIORUM - Università di Bologna
SECODA FACOLTÀ DI INGEGNERIA
CON SEDE A CESENA
CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA
in Ingegneria Meccanica classe 36/S
Sede di Forlì
TESI DI LAUREA
in Disegno Tecnico Industriale
Studio e ottimizzazione di un carrello
per una macchina avvolgitrice
Candidato:
Relatore: Chiar.mo
ILARIA ROCCHI
Prof. LUCA PIANCASTELLI
Correlatori:
Prof. Ing. ALESSANDRO CERUTI
Prof. Ing. TIZIANO BOMBARDI
Anno accademico 2010-2011
Sessione III
Indice
Indice
Capitolo 1
Introduzione
pag. 1
1.1
Premessa
pag. 1
1.2
Il caso in studio
pag. 2
Capitolo 2
Descrizione dei macchinari
pag. 5
2.1
Silver Go
pag. 5
2.2
Silver Twin
pag. 8
2.3
Il carrello porta bobina
pag. 11
Capitolo 3
Il carrello
pag. 13
3.1
Componenti
pag. 13
3.2
Il film di polipropilene
pag. 15
3.2.1
Caratteristiche meccaniche
pag. 15
3.2.2
Il prestiro
pag. 16
Capitolo 4
Il nuovo sistema di prestiro variabile
pag. 19
4.1
Descrizione
pag. 19
4.1.1
La trasmissione
pag. 19
4.1.2
Scelta del tipo di trasmissione
pag. 21
4.2
I variatori di velocità
pag. 21
4.3
I variatori meccanici con cinghia trapezoidale
pag. 23
4.4
4.3.1
I variatori meccanici
pag. 23
4.3.2
I variatori con cinghie
pag. 24
La trasmissione con cinghie trapezoidali
pag. 26
I
Indice
4.4.1
Le cinghie trapezoidali
pag. 26
4.4.2
La trasmissione
pag. 27
4.5
La trasmissione con cinghie dentate
pag. 28
4.5.1
Le cinghie dentate
pag. 28
4.5.2
La trasmissione
pag. 30
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di
prestiro
pag. 31
5.1
Dati di partenza
pag. 31
5.2
Scelta delle pulegge
pag. 32
5.3
Dimensionamento delle pulegge
pag. 37
5.3.1
1^ trasmissione
pag. 37
5.3.2
2^ trasmissione
pag. 38
5.3.3
3^ trasmissione
pag. 39
5.4
Calcolo del tiro delle cinghie
5.4.1
1^ trasmissione
pag. 40
5.4.2
Inizio corsa
pag. 40
5.4.3
Fine corsa
pag. 42
5.5
Analisi dei problemi
pag. 43
5.5.1
1^ trasmissione
pag. 43
5.5.2
3^ trasmissione
pag. 44
5.5.3
2^ trasmissione
pag. 45
5.6
5.7
pag. 40
Studio della riduzione
pag. 46
5.6.1
1° caso
pag. 46
5.6.2
2° caso
pag. 47
5.6.3
3° caso
pag. 48
Componenti
pag. 49
II
Indice
5.8
Masse e ingombri
pag. 50
Capitolo 6
Analisi agli elementi finiti
pag. 53
6.1
Analisi dei carichi
pag. 53
6.2
Le forze in gioco
pag. 54
6.2.1
Dati
pag. 54
6.2.2
Calcoli delle forze
pag. 54
6.3
Risultati
pag. 55
Capitolo 7
Conclusioni
pag. 59
7.1
Il variatore
pag. 59
7.2
Il telaio
pag. 60
7.3
Analisi agli elementi finiti
pag. 61
7.4
Sviluppi futuri
pag. 62
Bibliografia
pag. 63
III
Capitolo 1
Introduzione
Capitolo 1
Introduzione
1.1 Premessa
Il pallet è sicuramente l'imballaggio terziario più diffuso per lo
stoccaggio, la
movimentazione e la distribuzione delle
merci;
contribuisce a proteggere il prodotto durante il viaggio, facilitandone il
trasporto e lo stoccaggio. Il pallet ha avuto, e continua ad avere, un
notevole successo come unità di carico per il suo ruolo di collegamento
flessibile tra imballaggio, mezzi di movimentazione e trasporto.
Da anni il mercato richiede una continua innovazione dei tipi di prodotto
offerti e spesso all'interno delle unità di carico pallettizzate vengono
caricate diverse tipologie di prodotto, rendendo sempre più difficile sia la
protezione, sia il mantenimento della qualità degli articoli.
Inoltre le attività di gestione dei rifiuti dell'imballaggio, che comprendono
la raccolta, il trasporto, il recupero e lo smaltimento, sono diventate un
criterio per la progettazione e la fabbricazione degli imballaggi stessi.
Quindi i macchinari che realizzano l'imballaggio finale, costituito dal
pallet, dal carico e dal film estensibile che li avvolge, devono tenere
conto di numerosi fattori:
 compatibilità con i sistemi di stoccaggio, di trasporto e di
handling;
 compatibilità con le caratteristiche dei prodotti e degli imballaggi
secondari;
 compatibilità con le operazioni di picking;
 riduzione della quantità e della nocività dei materiali da
imballaggio.
1
Capitolo 1
Introduzione
1.2 Il caso in studio
La Silver Go e la Silver Twin, realizzate presso l'azienda Pieri s.r.l. di
Cesena, sono macchine automatiche a singolo o doppio braccio rotante
progettate per completare il binomio prodotto imballo avvolgendo i pallet
con un film estensibile che garantisce solidità al carico.
Figura 1.1 - Silver Twin
Attualmente il film estensibile viene montato su un carrello porta bobina
che permette di realizzare un prestiro meccanico, consentendo un
notevole risparmio sul consumo di film.
La presente tesi ha avuto come obiettivo principale lo studio e
l'ottimizzazione di un nuovo carrello in grado di realizzare un maggiore
2
Capitolo 1
Introduzione
prestiro, fino ad un 500%, che fosse anche variabile durante il moto del
braccio rotante.
Tenendo ben presente i requisiti fondamentali, quali l'affidabilità, la
riduzione delle masse, la facilità di manutenzione e, non ultimi, i costi, il
lavoro si è concentrato principalmente sui seguenti progetti:
 dimensionamento delle pulegge variabili e dei riduttori di velocità,
con il relativo calcolo degli interassi;
 progetto del carrello in grado di alloggiare tutti gli organi di
riduzione, nel rispetto dei vincoli di spazio;
 dimensionamento di un attuatore per pilotare a distanza il
movimento delle pulegge coniche;
 calcolo del tiro delle cinghie e delle forze in gioco;
 verifica del telaio tramite analisi agli elementi finiti.
Particolare attenzione è stata posta nella scelta dei diversi componenti: si
è cercato, laddove possibile, di utilizzare organi di trasmissione che
avessero costi contenuti, che fossero facilmente reperibili e che non
richiedessero una manutenzione frequente.
Gli strumenti indispensabili di cui si è fatto uso sono stati due sistemi
CAD largamente impiegati nel mondo del disegno e della progettazione
meccanica: Solid Works®2011 e Solid Edge®v20.
Nelle pagine successive saranno forniti i dati tecnici dei macchinari
Silver
Go
e
Silver
Twin,
successivamente
verrà
descritto
il
funzionamento del carrello che questi montano e l'importanza del prestiro
del film per la realizzazione di un ottimo imballaggio. Dopo aver
riportato i calcoli effettuati per la riduzione variabile di velocità, si potrà
osservare la modellazione CAD del nuovo carrello. Infine verrà esposta
l'analisi agli elementi finiti.
3
Capitolo 1
Introduzione
4
Capitolo 2
Descrizione dei macchinari
Capitolo 2
Descrizione dei macchinari
2.1 Silver Go
La Silver Go è una macchina in grado di avvolgere pallet di dimensioni
minori o uguali a 1200×1200. Ha un telaio principale con struttura a
portale che appoggia su quattro colonne ed è realizzato con un tubolare in
acciaio saldato. Ha un braccio rotante sempre realizzato con un tubolare
in acciaio e guide esterne per lo scorrimento della slitta di supporto del
carrello porta bobina. Il movimento rotatorio del braccio è ottenuto con
un sistema pignone-ralla dentata comandata da un motoriduttore con
motore auto frenante gestito da inverter.
La Silver Go integra al suo interno anche i seguenti dispositivi:
 Top Sheet Cover, ossia un macchinario che viene utilizzato per
rilasciare sopra il pallet un foglio di polietilene prima che il pallet
stesso venga avvolto, si possa realizzare un imballaggio
antipolvere;
 un sollevatore pneumatico del pallet che consente di ottenere
l'avvolgimento parziale della pedana anche con carico debordante
o rientrante;
 un gruppo pressore pneumatico per la stabilizzazione del carico
pallettizzato;
 un dispositivo di taglio e bloccaggio del film con l'inserimento del
lembo iniziale e del lembo finale tra le spire già avvolte.
Numerosi sono i controlli che prevede questa macchina: la regolazione
automatica della massima altezza di avvolgimento, protezioni perimetrali
e barriere di sicurezza ottenute mediante opportune fotocellule; un quadro
5
Capitolo 2
Descrizione dei macchinari
elettrico di controllo con logica programmabile computerizzata con
comandi manuali e spie di indicazione degli allarmi; una tastiera di
interfaccia con l'operatore H.M.I. (human machine interface); un circuito
elettrico di emergenza, separato dalla logica di controllo della macchina
con relè di sicurezza certificato; protezioni elettroniche per il rispetto
della direttiva europea 2004/108/CE sulla compatibilità elettromagnetica.
Figura 2.1 - Silver Go
6
Capitolo 2
Descrizione dei macchinari
Dati tecnici dell'avvolgitore
Bobina
standard
con
diametro
Dimensioni della bobina di film massimo di 250 mm, diametro
estensibile
dell'anima di 76mm, larghezza
della fascia 500mm, spessore del
film 17-23μm
Grado di protezione
IP 55
Tensione di alimentazione
400V, 50 Hz
Tensione comandi
24V
Potenza elettrica installata
6kW
Sistema di messa a terra
TN-S
Alimentazione pneumatica
6bar aria secca non lubrificata
Verniciatura
Fondo
catalizzato
e
vernice
poliuretanica ebicomponente
Colore parti fisse
GRIGIO RAL 7035
Colore parti mobili
ROSSO RAL 3020
Colore protezioni perimetrali
ROSSO RAL 3020
Condizioni ambientali
Temperatura: min +5°C / max
+35°C
Umidità relativa (senza condensa):
max 30-80%
7
Capitolo 2
Descrizione dei macchinari
Figura 2.2 - Scheda tecnica Silver Go
2.2 Silver Twin
La Silver Twin è una macchina nata per soddisfare requisiti di alte
produttività che il mercato richiede con sempre maggior frequenza.
L’azione combinata dei due bracci rotanti permette di raggiungere
velocità di avvolgimento
particolarmente elevate mantenendo nel
contempo un assetto bilanciato e stabile. La Silver Twin è dotata di
doppio carrello porta bobina con prestiro del film meccanico motorizzato
e di un doppio dispositivo di taglio e saldatura del lembo finale del film.
Tale dispositivo di saldatura è caratterizzato da una barra di contrasto a
scomparsa studiata al fine di evitare qualsiasi contatto con il prodotto
pallettizzato e di garantire l’integrità del carico. Anche questa macchina,
come la Silver Go, è in grado di avvolgere pallet di dimensioni minori o
uguali a 1200×1200,ma ,grazie all'azione dei due bracci rotanti, può
avvolgere fino a 140 pallets all'ora. Ha un telaio principale con struttura a
portale che appoggia su quattro colonne ed è realizzato con un tubolare in
8
Capitolo 2
Descrizione dei macchinari
acciaio saldato. Ha due bracci rotanti sempre realizzati con un tubolare in
acciaio e guide esterne per lo scorrimento della slitta di supporto del
carrello portabobina. Il movimento rotatorio dei bracci è ottenuto con un
sistema pignone-ralla dentata comandata da un motoriduttore con motore
autofrenante gestito da inverter.
La Silver Twin integra al suo interno anche i seguenti dispositivi:
 Top Sheet Cover, ossia un macchinario che viene utilizzato per
rilasciare sopra il pallet un foglio di polietilene prima che il pallet
stesso venga avvolto, si possa realizzare un imballaggio
antipolvere;
 un sollevatore pneumatico del pallet che consente di ottenere
l'avvolgimento parziale della pedana anche con carico debordante
o rientrante;
 un gruppo pressore pneumatico per la stabilizzazione del carico
pallettizzato;
 un dispositivo di taglio e bloccaggio del film con l'inserimento del
lembo iniziale e del lembo finale tra le spire già avvolte.
Numerosi sono i controlli che prevede questa macchina: la regolazione
automatica della massima altezza di avvolgimento, protezioni perimetrali
e barriere di sicurezza ottenute mediante opportune fotocellule; un quadro
elettrico di controllo con logica programmabile computerizzata con
comandi manuali e spie di indicazione degli allarmi; una tastiera di
interfaccia con l'operatore H.M.I. (human machine interface); un circuito
elettrico di emergenza, separato dalla logica di controllo della macchina
con relè di sicurezza certificato; protezioni elettroniche per il rispetto
della direttiva europea 98/37 sulla compatibilità elettromagnetica.
9
Capitolo 2
Descrizione dei macchinari
Dati tecnici dell'avvolgitore:
Bobina
standard
con
diametro
Dimensioni della bobina di film massimo di 250 mm, diametro
estensibile
dell'anima di 76mm, larghezza
della fascia 500mm, spessore del
film 17-23μm
Grado di protezione
IP 55
Tensione di alimentazione
400V, 50 Hz
Tensione comandi
24V
Consumo d'aria
100,00 NI/ciclo
Potenza elettrica installata
11kW
Sistema di messa a terra
TN-S
Alimentazione pneumatica
6bar aria secca non lubrificata
Verniciatura
Fondo
catalizzato
e
vernice
poliuretanica bicomponente
Colore parti fisse
GRIGIO RAL 7035
Colore parti mobili
ROSSO RAL 3020
Colore protezioni perimetrali
ROSSO RAL 3020
Condizioni ambientali
Temperatura: min +5°C / max
+35°C
Umidità relativa (senza condensa):
max 30-80%
10
Capitolo 2
Descrizione dei macchinari
Figura 2.3 - Silver Twin
2.3 Il carrello porta bobina
Sia la Silver Go, sia la Silver Twin montano carrelli porta bobina che
permettono di realizzare un prestiro del film meccanico motorizzato fino
ad un massimo del 300%. Questo dispositivo permette un notevole
risparmio sul consumo di film e dimezza i tempi di cambio della bobina;
infatti si può avere un film più robusto all'inizio e alla fine
dell'avvolgimento per garantire che il carico sia solidale al pallet, mentre
il film sarà più sottile al centro.
Attualmente la variazione di prestiro può avvenire in due modi diversi:
con un variatore a satelliti oppure con una coppia di ruote dentate. Il
11
Capitolo 2
Descrizione dei macchinari
variatore risulta però pesante e richiede di essere cambiato troppo spesso
rispetto alle altre parti della macchina, mentre le ruote dentate non
permettono di avere un prestiro variabile in movimento, poiché devono
essere cambiate a macchina ferma.
Questo progetto prevede di modificare il carrello installando un variatore
a pulegge coniche che sia pilotabile a distanza e permetta un prestiro
superiore al 300%.
12
Capitolo 3
Il carrello
Capitolo 3
Il carrello
3.1 Componenti
Il telaio del carrello è costituito da due lamiere in acciaio al carbonio
Fe360 di spessore
, distanziate da tre tubolari , sempre in
acciaio al carbonio Fe360. Su queste lamiere sono fissati i supporti che
andranno a sostenere gli alberi dei rulli condotti.
I rulli condotti sono due: il primo ha un diametro
che ruota a velocità maggiore, il secondo ha un diametro
ed è quello
e
ruota con velocità variabile. Questi rulli hanno un'anima in acciaio e sono
ricoperti in gomma siliconata con opportune scanalature che consentono
al film di aderire perfettamente.
Figura 3.1 - Telaio con rulli
13
Capitolo 3
Il carrello
Sono presenti altri quattro rulli, più piccoli, che servono per dirigere il
film nella direzione voluta. Poiché questi non contribuiscono al prestiro
del film, sono realizzati in acciaio e sono montati folli.
Nella parte anteriore del carrello viene montata la bobina di film di
polipropilene: l'anima della stessa, in genere in cartoncino, è fissata sul
centratore, in modo tale da rimanere stabile, ma libera di ruotare.
Il film uscente dalla bobina viene mandato al primo rullo folle, che lo
indirizza prima al rullo con velocità maggiore, poi a quello con velocità
minore, realizzando così il prestiro voluto. Uscendo dal secondo rullo
folle, il film attraverserà gli ultimi due rulli che definiscono la tensione
del film in uscita.
Sulla lamiera superiore è poi montata una molla che può essere posta più
o meno in tensione, muovendo la leva a cui è agganciata: sarà questa
molla a conferire la tensione ai rulli in uscita.
Figura 3.2 - Molla tenditrice
14
Capitolo 3
Il carrello
Sempre sulla lamiera superiore viene fissato il motore, che conferisce il
movimento al primo rullo, dopo un'opportuna riduzione. Tra il primo e il
secondo rullo è montato il variatore, che conferirà la giusta velocità di
rotazione al rullo in uscita.
È fissato al telaio un tubolare a U che permette di agganciare il carrello al
braccio rotante.
3.2 Il film di polipropilene
3.2.1 Caratteristiche meccaniche
Sulla bobina caricata sul carrello è avvolto un film in polipropilene:
fortemente utilizzato nel settore industriale, è disponibile in bassi spessori
con un buon rapporto qualità prezzo; ha elevate proprietà meccaniche,
un'elevata trasparenza e una formulazione con antistatici e scivolanti. La
sua bassa temperatura di saldabilità consente di utilizzarlo anche ad
elevate velocità di confezionamento.
Condizioni di allestimento standard:
Diametro Diametro Lunghezze standard del film in
del
esterno
mandrino
[mm]
bobina
25μm 30 μm 38 μm
Peso indicativo
della
50
bobina(kg/m)
μm
152mm
780
15000 14000 12000 8000
390
580
7500
190
7000
5500
4000
Grazie alle sue elevate proprietà meccaniche, il film, all'uscita dal
carrello, viene posto in trazione; in questa maniera, dopo che l'unità di
carico pallettizzata è stata avvolta, il polietilene lentamente si restringe,
aderendo perfettamente al prodotto.
15
Capitolo 3
Il carrello
3.2.2 Il prestiro
Quando il film viene posto in trazione, rimane sempre all'interno del
campo elastico. Durante il prestiro, invece, il film viene deformato
plasticamente, in modo tale da ridurre il suo spessore, ma anche le sue
proprietà meccaniche.
Il prestiro viene realizzato facendo passare il film attraverso due rulli, il
primo alla velocità di svolgimento della bobina, il secondo circa alla
velocità di uscita del film dal carrello.
Figura 3.3 - Passaggio del film nel carrello
Con i film disponibili in commercio, la velocità maggiore non può
superare 5 volte la minore. Si deve inoltre tenere conto che il film
effettivamente non realizza un prestiro del 400%, perché all'aumentare
del prestiro diminuisce il rendimento, che va da un massimo di 1 per un
prestiro basso (entro il 50%), fino ad un minimo di 0,8.
Nonostante il film diminuisca le sue proprietà meccaniche, oggigiorno il
prestiro è sempre richiesto, perché permette di risparmiare sia in termini
economici, sia per quanto riguarda lo smaltimento dei rifiuti, visto che la
pellicola di polipropilene non è mai riutilizzabile.
16
Capitolo 3
Il carrello
Sui macchinari Silver Go e Silver Twin viene montato un carrello che
realizza un prestiro variabile perché durante l'avvolgimento dell'unità di
carico pallettizzata è richiesto un film più resistente, quindi più robusto,
all'inizio e alla fine per garantire la solidità del carico al pallet e un
perfetto bloccaggio del film. Nella fase intermedia dell'avvolgimento non
sono richieste elevate proprietà meccaniche, quindi si può utilizzare un
film molto sottile, sfruttando il massimo prestiro.
17
Capitolo 3
Il carrello
18
Capitolo 4
Il nuovo sistema di prestiro variabile
Capitolo 4
Il nuovo sistema di prestiro variabile
4.1 Descrizione
4.1.1 La trasmissione
Si dice trasmissione meccanica il complesso degli organi che servono per
trasmettere potenza da una entrata ad una uscita. Alcuni di tali organi,
come gli alberi, i giunti e gli innesti, trasmettono la potenza senza variare
i fattori, cioè con un rapporto di trasmissione costantemente uguale a 1.
Fanno talvolta eccezione, fra gli organi sopra elencati, alcuni tipi di giunti
(quali i giunti idraulici) e di innesti (quali gli innesti a frizione), il cui
comportamento durante i transitori (di avviamento, di arresto o di
passaggio da un regime ad un altro) è notevolmente più complesso. Tutti
questi organi hanno di regola entrata ed uscita coassiali.
Altri organi di trasmissione, invece, come gli ingranaggi, le cinghie e le
catene, sono in grado di realizzare rapporti di trasmissione diversi da uno,
a volte fissi, a volte variabili a gradini (cambi) o con continuità (variatori
continui). La necessità di introdurre un rapporto (di riduzione o di
moltiplicazione)
può
derivare
da
motivi
funzionali.
Molto
frequentemente, trasmissioni con rapporto minore di uno sono necessarie
per collegare un motore veloce ad un utilizzatore lento; infatti, è di solito
conveniente (e talvolta necessario) che il motore sviluppi la sua potenza a
velocità elevata e coppia relativamente bassa, mentre la velocità angolare
dell'utilizzatore è imposta da necessità funzionali.
La scelta del tipo di trasmissione più adatto per ogni singola applicazione
è dettata da numerose circostanze, quali l'interasse, la potenza, la velocità,
il rapporto da realizzare, le caratteristiche del motore e dell'utilizzatore, il
19
Capitolo 4
Il nuovo sistema di prestiro variabile
costo, le esigenze di manutenzione, ed altre ancora. A titolo puramente
indicativo, la seguente tabella riporta i tipici campi di impiego delle più
comuni trasmissioni meccaniche in grado di realizzare rapporti diversi da
uno.
Rapporto
minimo (1)
Velocità
massima (2)
[m/s]
Potenza
massima (3)
[kW]
Cinghie piatte semplici
1:8
25 -100
300
Cinghie composte
1:8
25 - 100
4000
Cinghie trapezoidali
1:10
25 - 35
400
Cinghie dentate
1:15
50 - 100
80
Catene articolate semplici
1:6
15 - 25
200
Catene articolate multiple
1:6
15 - 25
700
Ingranaggi cilindrici a
denti dritti
1:10
20 - 50
750
Ingranaggi cilindrici
esterni a denti elicoidali
1:10
120
50000
Ruote dentate coniche a
denti dritti
1:8
20
1200
Ruote dentate coniche a
denti curvi
1:8
20
15000
1:100
20
300
Trasmissione
Vite - ruota elicoidale
(1) Rapporto di trasmissione minimo in un unico stadio;
(2) Velocità lineare delle cinghie o delle catene, oppure velocità periferica sulle
primitive delle ruote dentate;
(3) Potenza massima trasmessa in realizzazioni standard.
Gli organi che compongono le trasmissioni meccaniche, come tutti gli
organi in movimento, possono risultare pericolosi per gli operatori, e per
tanto per il loro impiego sono richiesti opportuni dispositivi di protezione,
in molti casi espressamente previsti e imposti dalle leggi riguardanti le
norme di sicurezza.
20
Capitolo 4
Il nuovo sistema di prestiro variabile
4.1.2 Scelta del tipo di trasmissione
L'idea di base per realizzare un carrello con prestiro variabile che sia al
tempo stesso economico e di semplice realizzazione, prevede di montare
direttamente sugli alberi dei rulli un variatore meccanico. Si è giunti a
questa scelta perché le potenze trasmesse sono ridotte, il campo di
variazione della velocità in uscita è modesto e non ci sono le richieste di
poter staccare all'utenza, o di invertire il movimento.
Il motore eroga una potenza
, il variatore richiede un campo
di variazione di velocità di
e il riduttore che trasmette il moto dal
motore al primo rullo gommato deve avere un rapporto di trasmissione di
.
Non sarà possibile montare un variatore che abbia una sola puleggia
costituita da due semipulegge coniche, poiché l'interasse di lavoro deve
essere fisso.
4.2 I variatori di velocità
I variatori di velocità consentono sia di trasmettere il moto con rapporto
di trasmissione costante, sia di variare con continuità tale rapporto,
agendo dall'esterno su un apposito comando.
Il campo di variazione R di un variatore è definito come il rapporto tra i
rapporti di trasmissione massimo e minimo:
I variatori che includono nella velocità di uscita anche la velocità zero
sono detti a campo finito di variazione di velocità.
Spesso i variatori hanno un campo di variazione simmetrico, cioè
possono funzionare sia da moltiplicatori, sia da riduttori di velocità, con
lo stesso rapporto tra la velocità maggiore (che una volta è quella di
uscita, l'altra volta quella di entrata) e la velocità minore. Si può osservare
che, se il campo di variazione è R, il rapporto suddetto è
.
21
Capitolo 4
Il nuovo sistema di prestiro variabile
I variatori comuni di velocità sono classificati in:
 variatori meccanici, se la variazione è ottenuta cambiando la
posizione di un membro intermedio che serve per collegare gli
alberi del motore e del condotto;
 variatori idraulici, se la variazione è ottenuta variando le
caratteristiche di pressione e portata di un fluido che trasmette
forze e spostamenti tra i membri accoppiati;
 variatori elettrici, se la variazione è ottenuta modificando le
caratteristiche di corrente e tensione di un motore elettrico.
Sono qui riassunte le principali caratteristiche di funzionamento dei tre
gruppi di variatori.
- Potenza trasmissibile: è modesta nel caso dei variatori meccanici,
mentre può essere assai elevata nei variatori idraulici ed elettrici.
- Rendimento: nei variatori meccanici oscilla tra 0,75 e 0,95; nei variatori
idraulici tra 0,5 e 0,65; nei variatori elettrici è molto varia a seconda dei
tipi.
- Campo di variazione della velocità in uscita: modesto o medio nel caso
dei variatori meccanici, medio nel caso dei variatori elettrici, massimo nel
caso dei variatori idraulici.
- Rapporto momento trasmesso/inerzia del variatore: modesto o medio
nel caso dei variatori meccanici, medio nel caso dei variatori elettrici,
massimo nel caso dei variatori idraulici.
- Possibilità di staccare all'utenza: tale possibilità esiste nel caso dei
variatori elettrici e idraulici, non nel caso di variatori meccanici.
- Inversioni del movimento: l'inversione è semplice nel caso di variatori
idraulici ed elettrici, più complessa nel caso dei variatori meccanici.
- Costo: i variatori meccanici sono quelli che costano meno, i variatori
idraulici possono essere competitivi rispetto ai variatori elettrici, tranne
nel caso in cui le potenze da trasmettere siano basse.
22
Capitolo 4
Il nuovo sistema di prestiro variabile
4.3 I variatori meccanici con cinghia trapezoidale
4.3.1 I variatori meccanici
I componenti di questa categoria sono caratterizzati dalla presenza di un
membro mobile, che consente di realizzare la variazione del rapporto di
trasmissione; esso può essere rigido o flessibile.
Nei variatori con membro mobile flessibile il rapporto di trasmissione
viene fatto variare modificando la variazione del flessibile. Questi
variatori possono essere realizzati con cinghie oppure con catene. I
variatori con catene hanno il vantaggio di eliminare gli scorrimenti propri
delle variazioni di forza, garantendo il rispetto delle variazione di fase tra
ingresso e uscita. I variatori a catena sono quindi impiegati, oltre che per
la trasmissione di coppie elevate, quando è indispensabile rispettare le
relazioni di fase.
Figura 4.1 - Variatore meccanico in campo motociclistico
23
Capitolo 4
Il nuovo sistema di prestiro variabile
Nei variatori con membro mobile rigido la variazione del rapporto di
trasmissione è ottenuta spostando il punto (o la linea) di contatto del
membro intermedio rigido che collega movente e cedente. Il movente può
essere piano, conico o sferico. La disposizione degli organi del variatore
può essere di tipo ordinario o planetario. La trasmissione è di forza; per
aumentare la forza tangenziale trasmessa si possono aumentare i punti di
contatto.
4.3.2 I variatori con cinghie
I variatori con cinghia trapezoidale sono tra i variatori continui più
semplici ed economici. Nel caso più comune, sono costituiti da due
pulegge, formate ciascuna da due semipulegge a cono. L'interasse delle
due pulegge è fisso, mentre la distanza tra le due semipulegge montate su
ciascun albero è variabile: al variare della distanza tra le due
semipulegge, varia automaticamente il raggio su cui si avvolge la cinghia.
Il variatore è realizzato in modo da comandare contemporaneamente
l'avvicinamento delle due semipulegge calettate su un albero e
l'allontanamento delle due. In questo modo, il raggio di avvolgimento
della cinghia su una puleggia aumenta e quello sull'altra diminuisce: la
cinghia, che ha ovviamente lunghezza costante, continua a funzionare
regolarmente, mentre il rapporto di trasmissione varia con continuità,
essendo uguale all'inverso del rapporto dei raggi di avvolgimento, a meno
dei piccoli e inevitabili slittamenti tra cinghia e puleggia.
I variatori a cinghia permettono di variare il rapporto di trasmissione
anche durante la trasmissione di potenza; la variazione può essere
ottenuta agendo manualmente su una manopola che comanda
contemporaneamente le due coppie di semipulegge coniche. È anche
possibile attuare la variazione del rapporto di trasmissione con un
comando pneumatico, idraulico o elettrico, eventualmente collegato in
modo automatico ad un dispositivo che misura la variabile (momento,
24
Capitolo 4
Il nuovo sistema di prestiro variabile
velocità, o altro) in base al cui valore il rapporto di trasmissione stesso
deve variare.
Figura 4.2 - Schema di funzionamento del variatore
Le cinghie trapezoidali impiegate nei variatori sono spesso dotate di
scanalature trasversali, che le rendono simili nell'aspetto a cinghie
dentate: lo scopo delle scanalature, però, non è quello di realizzare un
comando positivo, come nelle vere cinghie dentate, ma di aumentare la
flessibilità delle cinghie, dato che queste devono potersi avvolgere anche
su raggi relativamente piccoli rispetto al loro spessore.
Esistono anche dei variatori nei quali una sola puleggia è realizzata con
due semipulegge a distanza variabile; in questo caso, però, l'interasse
delle due pulegge è variabile, dato che la lunghezza della cinghia è ancora
costante.
Il campo di variazione massimo dei variatori a cinghia è tipicamente
, cioè il rapporto tra la velocità angolare in uscita e quella in entrata
può essere fatto variare fra 1/3 e 3. Il tempo necessario per passare dal
rapporto minimo a quello massimo o viceversa è relativamente lungo; si
tenga presente, però, che in molte applicazioni interessano variazioni
percentualmente molto più limitate di tale rapporto, o almeno si
25
Capitolo 4
Il nuovo sistema di prestiro variabile
richiedano risposte rapide solo per variazioni relativamente modeste, per
cui la prontezza di risposta del variatore deve essere valutata in relazione
alle reali esigenze di impiego e non sulla base del tempo richiesto per
descrivere l'intero campo di variazione.
4.4 La trasmissione con cinghie trapezoidali
4.4.1 Le cinghie trapezoidali
Le cinghie trapezoidali rappresentano uno degli organi flessibili più
largamente impiegati per la trasmissione di potenza del moto rotatorio. Le
tipologie più comuni sono rappresentati nelle figure seguenti, dove sono
rappresentate la cinghia classica di sezione costante e la cinghia
trapezoidale dentata, che presenta al bordo interno una serie di intagli atti
ad aumentare la flessibilità dell'organo.
Figura 4.3 - Cinghia trapezoidale
Le cinghie del primo tipo sono costituite da elementi in grado di resistere
allo sforzo di trazione con piccoli allungamenti, comunemente fili di
poliestere avvolti ad anello e immersi in un corpo di elastomero, che, a
sua volta, viene fasciato da un rivestimento in tessuto.
Le cinghie del secondo tipo, a differenza delle prime, non hanno il
rivestimento in tessuto e sono intagliate al bordo interno, così da rendere
possibile l'adozione di pulegge di diametro minore.
26
Capitolo 4
Il nuovo sistema di prestiro variabile
Le cinghie di entrambi i tipi sono realizzate generalmente ad anello
chiuso, con lunghezze accuratamente controllate per rendere possibile
l'accoppiamento di più elementi nelle trasmissioni multi cinghia.
I requisiti che le cinghie devono generalmente possedere possono essere
così riassunti:
 moderata resistenza agli oli: se olio o grasso vengono a contatto
con la cinghia solo occasionalmente, non si devono temere effetti
negativi sul rendimento e sulla durata; un contatto prolungato,
però, può produrre danni irreparabili;
 resistenza a temperature estreme: solitamente il funzionamento
della cinghia è soddisfacente entro un campo di temperature
compreso tra -30 °C e +80 °C;
 proprietà antistatiche: deve essere garantita l'eliminazione delle
cariche elettriche per evitare il pericolo di scintille in ambienti
esplosivi;
 resistenza all'abrasione: queste caratteristiche è particolarmente
apprezzata quando la cinghia lavora in ambienti polverosi, come,
ad esempio, nei cementifici, in agricoltura o in miniera.
La scelta di una cinghia per la trasmissione di potenza viene fatta
partendo da alcuni dati iniziali, imposti dalle specifiche di progetto, e
utilizzando schemi di calcolo suggeriti dai fabbricanti.
4.4.2 La trasmissione
La trasmissione del momento avviene per attrito sull'arco di strisciamento
e all'ingresso della cinghia sulla puleggia si ha aderenza, senza
strisciamento.
Il rapporto di trasmissione, il momento e la potenza sono dati dalle
seguenti formule:
avendo posto
;
27
Capitolo 4
Il nuovo sistema di prestiro variabile
Per quanto riguarda le velocità nei due rami, se
si avrà
.
Il rapporto tra le tensioni nei due rami, per una cinghia poco veloce, per
la quale sono trascurabili le forze centrifughe, è dato da:
dove:
= coefficiente di attrito;
= angolo su cui si ha strisciamento tra cinghia e puleggia;
= angolo di semiapertura del cono della puleggia.
La tensione iniziale vale:
La forza sul supporto vale:
4.5 La trasmissione con cinghie dentate
4.5.1 Le cinghie dentate
Le cinghie dentate sono organi flessibili che consentono la trasmissione
di potenza nel moto rotatorio garantendo un rapporto di trasmissione
costante grazie alla presenza di una dentatura che, coniugandosi con
apposite puleggi, realizza una trasmissione di forze positiva. Tale aspetto
distingue nettamente le trasmissioni con cinghie dentate da quelle con
cinghie piatte o trapezoidali, dove la trasmissione di potenza è affidata
alle azione tangenziali di attrito tra cinghia e puleggia, con conseguenti
strisciamenti e variazioni del rapporto di trasmissione in funzione della
coppia trasmessa.
La struttura di una cinghia dentata è costituita da un nastro continuo
esterno in elastomero di elevata resistenza (policloroprene) che ricopre
uno strato di fili in fibra di vetro, avvolti ad elica in doppia serie, ciascuna
con fili ritorti in senso opposto. I fili di fibra di vetro presentano una
elevata stabilità dimensionale ed una notevole resistenza alla trazione. A
28
Capitolo 4
Il nuovo sistema di prestiro variabile
questi elementi aderisce la dentatura, realizzata ancora in policloroprene e
rivestita di un tessuto in poliamide, con particolare resistenza
all'abrasione e basso coefficiente di attrito.
Il profilo della dentatura può essere trapezoidale oppure curvilineo. Nel
secondo caso si ottiene uno stato di sollecitazione più omogeneo
all'interno del dente.
Figura 4.4 - Cinghia sincrona
L'elevata flessibilità e la notevole resistenza delle cinghie dentate ne
consentono un impiego equivalente, entro ampi limiti, a quello delle ruote
dentate e delle catene, con velocità che possono arrivare fino a 50 m/s.
Le cinghie dentate non richiedono lubrificazione e funzionano con bassa
rumorosità.
Le pulegge per cinghie dentate recano sulla fascia esterna i vani per
l'accoppiamento con i denti della cinghia. Possono essere realizzate in
materia plastica o alluminio, per passi fino a 5 mm, in acciaio o ghisa per
passi superiori.
29
Capitolo 4
Il nuovo sistema di prestiro variabile
Per evitare lo scarrucolamento della cinghia è necessario che almeno una
puleggia, di solito quella minore per motivi economici, sia dotata di
flange.
Come nel caso delle cinghie trapezoidali, anche per il dimensionamento
di una trasmissione con cinghie dentate ci si basa, solitamente, sulle
indicazione dei fabbricanti, che suggeriscono procedure di selezioni
variabili da produttore a produttore.
4.5.2 La trasmissione
La trasmissione del momento avviene per contatto e l'ingresso della
cinghia sulla puleggia avviene senza strisciamento, per questo motivo le
cinghie dentate sono anche chiamate cinghie sincrone.
Il rapporto di trasmissione, il momento e la potenza sono dati dalle
seguenti formule:
La tensione nel ramo meno teso vale:
La forza sul supporto vale:
30
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
5.1 Dati di partenza
Si vuole ottenere un prestiro minimo del 50% ed un prestiro massimo del
500% utilizzando delle pulegge variabili, quindi il variatore richiede un
campo di variazione di velocità di
. Si preferisce mantenere il telaio
ed il motore utilizzati fino ad oggi e realizzare le riduzioni di velocità con
pulegge, anziché con riduttori, per alleggerire la struttura.
Motore Bonfiglioli:
Velocità del motore:
Potenza nominale:
Primo rullo:
Velocità angolare:
Diametro:
Secondo rullo:
Diametro:
Poiché il motore ha una velocità nominale di 1400 rpm ed il primo
rullo richiede una velocità di 560 rpm, tra i due dovrà essere
interposto un riduttore di velocità con rapporto di trasmissione
. Inoltre, il variatore meccanico con interasse fisso ha un
rapporto di riduzione che varia tra
e
, quindi in uscita dovrà
essere interposto un secondo riduttore, cosicché il secondo rullo non
ruoti mai a velocità maggiore di quella del primo.
31
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Figura 5.1 - Schema di funzionamento
Tabella identificativa:
Sigla
Componente della trasmissione
A
Rullo in ingresso
B
Rullo in uscita
1
Puleggia motrice
2
Puleggia del rullo in ingresso
3
Puleggia motrice del variatore
4
Puleggia condotta del variatore
5
Puleggia di rinvio
6
Puleggia del rullo in uscita
5.2 Scelta delle pulegge
Rapporto di riduzione tra il motore e il rullo in ingresso:
32
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Dal catalogo Sit scelgo due pulegge dentate con numero di denti
e
.
Per la riduzione variabile, in base alla potenza del motore e al rapporto di
riduzione richiesto, scelgo invece dal catalogo Sit una puleggia VOL 130
ed una MONO 130.
Figura 5.2 - Puleggia VOL130
33
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Per il progetto della trasmissione verranno utilizzati i seguenti dati:
Figura 5.3 - Puleggia MONO130
Per il progetto della trasmissione verranno utilizzati i seguenti dati:
34
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Per il prestiro minimo
Per il prestiro massimo:
La velocità del secondo rullo deve però essere sempre minore della
velocità del primo, in particolate, nel caso di prestiro minimo (50%) si
dovrà avere:
Si dovrà quindi inserire una coppia di pulegge anche in uscita dal
variatore con un rapporto di riduzione:
Poiché le trasmissioni con pulegge non possono sostenere rapporti di
riduzione elevati, provo inizialmente a verificare se si può ottenete il
prestiro richiesto con un rapporto
.
Dal catalogo Chiaravalli scelgo due pulegge dentate Power Grip
e
e ottengo i valore della velocità angolare minima e massima in
uscita:
Calcolo le velocità periferiche nei due casi:
Per il prestiro minimo si ha la puleggia 3 con diametro massimo (tutta
chiusa) e la puleggia 4 con diametro minimo (tutta aperta):
35
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Figura 5.4 - Schema del prestiro minimo
Per il prestiro massimo si ha la puleggia 3 con diametro minimo (tutta
aperta) e la puleggia 4 con diametro massimo (tutta chiusa):
Figura 5.5 - Schema del prestiro massimo
36
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Da un'analisi effettuata sulla macchina Pem/3 si è visto che il rendimento
reale di prestiro è approssimativamente:
Nel nostro caso si riuscirebbe quindi ad avere un prestiro massimo:
5.3 Dimensionamento delle cinghie
5.3.1 1^ trasmissione
Rapporto di riduzione:
Motore Bonfiglioli classe II:
Albero per trasmissioni a funzionamento intermittente, fattore di servizio:
Potenza corretta:
da tabella scelgo delle pulegge a passo L:
14L075
35L075
Interasse minimo:
Lunghezza della cinghia:
La prima lunghezza utile è:
scelgo una cinghia 270L.
Coefficiente per il calcolo dell'interasse effettivo:
37
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Interasse effettivo:
Denti in presa:
Fattore di lunghezza:
Per
si ha una cinghia larga 19,1 con codice 075.
La cinghia scelta è 270L075.
5.3.2 2^ trasmissione
Si deve dimensionare la cinghia trapezoidale per la trasmissione
variabile. Si considera la condizione più gravosa, quella di prestiro
massimo.
Si considera la condizione più gravosa, quella di prestiro massimo.
VOL 130
MONO 130
Interasse minimo:
Lunghezza teorica della cinghia:
La prima lunghezza utile è:
38
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Dal catalogo viene consigliata una cinghia trapezoidale per pulegge
variabili di sezione
: sarà scelta la cinghia il cui sviluppo primitivo
è 790mm.
Interasse reale:
Angolo di avvolgimento:
5.3.3 3^ trasmissione
Per dimensionare la cinghia della terza trasmissione si ipotizza sempre di
essere nella condizione più gravosa, cioè di avere prestiro massimo.
Pulegge:
14L075
42L075
Interasse minimo:
Lunghezza della cinghia:
La prima lunghezza utile è:
scelgo una cinghia 315L.
Coefficiente per il calcolo dell'interasse effettivo:
39
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Interasse effettivo:
Denti in presa:
Fattore di lunghezza:
Per
si ha una cinghia larga 19,1 con codice 075.
La cinghia scelta è 315L075.
5.4 Calcolo del tiro delle cinghie
5.4.1 1^ trasmissione
Potenza del motore:
Velocità angolare della prima puleggia:
Momento motore:
Velocità periferica:
Questo valore è accettabile, poiché deve sempre essere minore di circa
30m/s.
Tensione minima della cinghia:
Considerando un coefficiente di adattamento pari a 1,2 si ottiene il tiro
della prima cinghia:
40
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
5.4.2 Inizio corsa
2^ trasmissione
Considerando un coefficiente di adattamento pari a 1,5 si ottiene il tiro
della seconda cinghia:
3^ trasmissione
Considerando un coefficiente di adattamento pari a 1,2 si ottiene il tiro
della terza cinghia:
41
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
5.4.3 Fine corsa
2^ trasmissione
3^ trasmissione
Lo sforzo massimo che deve sopportare la cinghia è
con
per cinghia dentata.
La tensione massima si ha nella terza trasmissione nel secondo caso
(
).
Poiché si hanno 6 denti in presa, la resistenza dei denti in presa sarà pari
alla resistenza a trazione della cinghia.
42
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
5.5 Analisi dei problemi
Il sistema di riduzione di velocità che è stato dimensionato non può
essere montato sul telaio esistente per problemi di ingombri. Per ridurre
questi ultimi si sceglie di ridurre gli interassi, montando cinghie più corte.
5.5.1 1^ trasmissione
La prima trasmissione definisce dove verrà fissato il motore, che
costituisce un ingombro sulla lamiera superiore, a causa del passaggio
delle cinghie. Si sceglie approssimativamente il seguente interasse:
Lunghezza della cinghia:
La prima lunghezza utile è:
Avendo sempre 6 denti in presa si sceglie una cinghia 217L075, pulegge
montate con interasse di 155,77mm ed un motore Bonfiglioli a flangia
ridotta.
In questa posizione, però, il motore risulta troppo vicino alla puleggia
VOL130, si preferisce quindi prendere la cinghi successiva:
43
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
5.5.2 3^ trasmissione
Nella terza trasmissione l'interasse calcolato è 263mm e poiché un
estremo è fissato in corrispondenza dell'asse del secondo rullo, l'altro
estremo cade all'esterno della piastra. Si sceglie in prima approssimazione
di considerare come interasse minimo la somma dei due diametri.
Interasse minimo:
Lunghezza della cinghia:
La prima lunghezza utile è:
scelgo una cinghia 244L.
Coefficiente per il calcolo dell'interasse effettivo:
Interasse effettivo:
Denti in presa:
Questo interasse darebbe quasi 6 denti in presa, ma non può essere
accettato perché un estremo sarebbe sul bordo della lamiera. La prima
cinghi utile è la 217L:
44
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Non è un valore ottimale, ma viene accettato perché eventualmente si può
montare un tendicinghia che garantisce una buona trasmissione.
5.5.3 2^ trasmissione
Nella trasmissione variabile si dovrà valutare l'angolo di avvolgimento
della cinghia, che deve mantenersi superiore a 140°; come prima si
sceglie come primo interasse la somma dei diametri.
Questo interasse sarebbe accettabile, poiché l'angolo di avvolgimento è
più che sufficiente, ma il nella geometria di insieme la puleggia andrebbe
ad interferire con il motore; con un procedimento iterativo si arriva a
scegliere la cinghia con lunghezza utile:
45
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Dopo aver dimensionato le tre trasmissioni sopra descritte, si procede con
la realizzazione del nuovo cinematismo progettato e del nuovo telaio di
supporto:
Figura 5.6 - Cinematismo di variazione e telaio
5.6 Studio della riduzione
Per movimentare a distanza il sistema di riduzione di velocità si é pensato
di fissare sul volante del variatore una flangia, calettata ad un motore a
bassa potenza (
).
Si richiede che il prestiro passi da un minimo del 160% ad un massimo
del 300% in 1 secondo. Nei calcoli si assume cautelativamente un
rendimento di prestiro pari all'unità nel primo caso e pari a 0,80 nel
secondo.
5.6.1 1° caso
46
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Nel primo rullo si ha:
quindi nel secondo rullo si avrà:
=
Si può quindi calcolare il rapporto di riduzione al variatore:
5.6.2 2° caso
=
Si può quindi calcolare il rapporto di riduzione al variatore:
47
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
5.6.3 Scelta dell'attuatore
Tra inizio
e fine corsa
delle pulegge
intercorrono 6,17 giri del volantino. Per comodità di calcolo si pone come
rapporto di riduzione modificato:
Inserendo i dati ottenuti in un grafico si ottengono i giri del volantino i
funzione del rapporto di riduzione:
7
giri del volantino [rpm]
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
rapporto di riduzione modificato
Dopo aver ricavato i rapporti di riduzione modificati
si possono calcolare i corrispondenti giri del volantino:
48
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Si può ora calcolare la velocità angolare del volantino:
Si sceglie quindi un motoriduttore Kelvin K30-37.62 24V 6,7 W con una
velocità nominale di 98rpm.
Nell'immagine sottostante viene raffigurato l'attuatore che consente il
pilotaggio a distanza del cinematismo variabile
Figura 5.7 - Motore Kelvin K30
5.7 Componenti
Di seguito elenco i componenti che sono stati utilizzati per realizzare il
carrello:
Motore Bonfiglioli:
BE 80B 4 B14 220-400 50Hz 0,75kW
Pulegge Dentate Sit:
14L075 (con foro d=19mm);
35L075;
49
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
14L075 (con foro d=20mm);
42L075;
Cinghie dentate Sit:
217L075;
225L075;
Pulegge variabili Sit:
MONO e VOL 130;
Cinghia trapezoidale per puleggia variabile Sit: sezione
, Sv. i.
750mm, Sv. pr. 790mm;
Motoriduttore Kelvin: K30-37.62 24V 6,7 W
5.8 Masse e ingombri
L'obiettivo principale di questo progetto era il dimensionamento di un
nuovo carrello che avesse dimensioni compatibili con gli spazi di
manovra dei macchinari Silver Go e Silver Twin e che avesse massa
inferiore ai 100 kg. Nella seguente analisi si evince che l'obiettivo è stato
raggiunto.
Componente
Massa [kg]
Struttura in lamiera con rulli e supporti
64
Motore Bonfiglioli
9,9
Puleggia Dentata Sit 1
0,2
Puleggia Dentata Sit 2
1,65
Puleggia Dentata Sit 3
0,2
Puleggia Dentata Sit 4
1,79
Cinghia dentata Sit 1
0,1
Cinghia dentata Sit 2
0,1
Puleggia variabile MONO130
3
Puleggia variabile VOL130
2
Cinghia trapezoidale
0,17
Motoriduttore Kelvin K30
0,5
50
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
Massa totale
83,44
Figura 5.8 - Carrello completo
51
Capitolo 5
Progettazione del nuovo sistema di prestiro
52
Capitolo 6
Analisi agli elementi finiti
Capitolo 6
Analisi agli elementi finiti
6.1 Analisi dei carichi
È sta effettuata un'analisi agli elementi finiti per simulare la sollecitazione
del nuovo telaio a seguito delle forze a cui è sottoposto durante il
funzionamento ciclico sui macchinari Silver Go e Silver Twin.
Il carrello è montato a sbalzo su un braccio che parte da fermo e accelera
fino alla velocità di regime; dopo aver completato il ciclo di lavoro,
decelera fino a fermarsi. Durante il funzionamento il telaio sarà quindi
sottoposto
sia
alle
forze
dovute
all'accelerazione
radiale
e
all'accelerazione tangenziale, sia ai tiri delle cinghie che scaricano sui
supporti montati sul telaio stesso.
Figura 6.1 - Applicazione delle forze
53
Capitolo 6
Analisi agli elementi finiti
6.2 Le forze in gioco
6.2.1 Dati
Lunghezza del braccio:
Numero di giri:
Intervallo di tempo:
Massa del carrello:
Massa della bobina:
6.2.2 Calcoli delle forze
Velocità angolare:
Accelerazione angolare:
Accelerazione radiale:
Accelerazione tangenziale:
Massa totale:
Forza radiale:
Forza tangenziale:
Il carrello è così sottoposto alle seguenti forze:
54
Capitolo 6
Analisi agli elementi finiti
6.3 Risultati
Il carrello, realizzato in acciaio al carbonio Fe360, è sottoposto ad una
tensione massima :
. Considerando che il materiale di cui
è costituito ha una tensione di snervamento
tensione di rottura
ed una
, si può affermare che la
sollecitazione è accettabile, per il buon funzionamento del carrello.
Figura 6.2 - Analisi dell'intero carrello
Nonostante siano state aggiunte le masse delle pulegge, non presenti nel
progetto originale, le piastre a cui sono fissati i supporti che scaricano le
tensioni degli alberi, non risultano eccessivamente sollecitate.
55
Capitolo 6
Analisi agli elementi finiti
Figura 6.3 - Analisi delle piastre superiori
La zona più sollecitata risulta essere il bordo della piastra inferiore, su cui
sono montati i rulli tenditori.
Questa parte, però, viene realizzata già da tempo sui carrelli attualmente
in uso, senza aver mai creato problemi. Viene comunque consigliato di
rinforzare il supporto inferiore, che scarica direttamente sul bordo della
lamiera.
Figura 6.4 - Analisi della piastra inferiore
Infine, nei calcoli effettuati si è tenuto conto che, poiché il telaio del
carrello è sottoposto ad una sollecitazione ciclica, la direzione della forza
56
Capitolo 6
Analisi agli elementi finiti
tangenziale varia a seconda che il braccio sia in fase di accelerazione o di
decelerazione. In entrambi i casi la sollecitazione rimane inferiore ai 90
MPa.
Figura 6.5 - Analisi del variatore
57
Capitolo 6
Analisi agli elementi finiti
58
Capitolo 7
Conclusioni
Capitolo 7
Conclusioni
Lo studio effettuato si è concentrato, come visto, sul dimensionamento di
un nuovo sistema di prestiro variabile del film che prevedesse l'uso di
pulegge a diametro variabile, la cui regolazione potesse avvenire a
distanza, tramite un attuatore elettrico.
Verranno qui esposti i risultati ottenuti nelle diverse fasi di studio.
7.1 Il variatore
Tenendo ben presente i dati di partenza, velocità di rotazione del motore,
velocità di rotazione del primo rullo e prestiro richiesto, si è scelto di
utilizzare una coppia di pulegge variabili MONO130 e VOL130 della Sit
s.p.a. e due coppie di pulegge dentate Power Grip della Chiaravalli, che
realizzassero le riduzioni di velocità volute.
Figura 7.1 - Il variatore
59
Capitolo 7
Conclusioni
Per effettuare la regolazione del variatore si è scelto di fissare una piccola
flangia sul volantino della puleggia, e di calettare su quest'ultima un
motorino Kelvin con una potenza di 6,7 W.
7.2 Il telaio
Si è scelto di mantenere la struttura originale per quanto riguarda il
sistema di rulli, mentre per sostenere il sistema di riduzione è stata
aggiunta una seconda piastra, con dimensioni leggermente maggiori della
prima, per consentire l'alloggiamento del motore; infine il motore passopasso per la movimentazione della puleggia variabile è stato fissato su un
apposito telaio.
Figura 7.2 - Il telaio
Per ogni albero è stato montato un supporto sul telaio, cercando sempre di
minimizzare gli ingombri.
Sono stati rispettati i vincoli dimensionali imposti dai movimenti dei
bracci della Silver Go e della Silver Twin.
60
Capitolo 7
Conclusioni
7.3 Analisi agli elementi finiti
Per effettuare questa analisi si sono considerate le seguenti tipologie di
forze:
 accelerazione radiale e accelerazione tangenziale che generate dal
movimento del braccio che sostiene il carrello, per la massa
complessiva;
 accelerazione gravitazionale;
 tiro delle cinghie, considerato nel caso peggiore.
L'analisi agli elementi finiti ha dato esito positivo; nonostante siano state
aggiunte le masse delle pulegge, non presenti nel progetto originale, e
siano stati introdotti i tiri delle cinghie, agenti sugli alberi, si ha un
tensione massima inferiore a 90 MPa. Tale valore viene ritenuto
accettabile per il funzionamento del carrello, poiché è nettamente
inferiore rispetto al valore dello snervamento.
Figura 7.3 - Analisi agli elementi finiti
61
Capitolo 7
Conclusioni
7.4 Sviluppi futuri
La soluzione adottata soddisfa i requisiti fondamentali di semplicità
costruttiva, di minimizzazione dei pesi, di facilità di manutenzione, di
affidabilità e di riduzione degli ingombri.
Per il particolare lavoro ciclico che deve svolgere il carrello, eventuali
sviluppi futuri prevedono la verifica a fatica del telaio.
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Bibliografia
Bibliografia
[1] E. Funaioli - A. Maggiore - U. Meneghetti
"Lezioni di meccanica applicata alle macchine Vol. I"
Pàtron Editore
[2] E. Funaioli - A. Maggiore - U. Meneghetti
"Meccanica degli azionamenti"
Pàtron Editore
[3] A. Pareschi - A. Persona - E. Ferrari - A. Regattieri
"Logistica integrata e flessibile"
Progetto Leonardo
[4] www.pieri.it
[5] www.sitspa.it
[6] www.chiaravalli.it
[7] www.bonfiglioli.it
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